国内氧化镓半导体又有新进展，距离量产还有多远？

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）在以碳化硅和氮化镓为主的第三代半导体之后，氧化镓被视为是下一代半导体的最佳材料之一。氧化镓具有多种同分异构体，其中β-Ga₂O₃（β相氧化镓）最为稳定，也是目前在半导体应用中被研究最多，距离商业化应用最近的一种。
 
氧化镓本身的材料特性极为优异。我们都知道第三代半导体也被称为宽禁带半导体，而第四代半导体的一个重要特性就是“超宽禁带”，禁带宽度在4eV以上（金刚石5.5eV，β-Ga₂O₃ 禁带宽度4.2-4.9eV），相比之下，第三代半导体中碳化硅禁带宽度仅为3.2eV，氮化镓也只有3.4eV。更宽的禁带，带来的优势是击穿电场强度更大，反映到器件上就是耐压值更高，同样以主流的β结构Ga₂O₃ 材料为例，其击穿电场强度约为8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化镓也高出一倍以上。
 
在应用层面上，氧化镓主要被应用于光电以及高功率的领域。由于氧化镓高温下性能稳定，有高的可见光和紫外光的透明度，特别是在紫外和蓝光区域透明，因此日盲紫外探测器是目前氧化镓比较确定的一条应用路线。
 
此前在今年8月，美国商务部工业和安全局的文件中披露，美国将对氧化镓和金刚石两种超宽禁带半导体衬底实施出口管制，也足以证明第四代半导体的重要性。
 
而近日，中国科大微电子学院龙世兵教授课题组两篇关于氧化镓器件的研究论文被IEEE 国际电子器件大会接收，分别涉及了氧化镓器件在功率以及光电领域的应用进展。
 
在氧化镓功率应用中，如何开发出有效的边缘终端结构，缓解肖特基电极边缘电场是目前氧化镓SBD研究的热点。由于氧化镓P型掺杂目前尚未解决，PN结相关的边缘终端结构一直是难点。
 
龙世兵教授课题组基于氧化镓异质PN结的前期研究基础，成功将异质结终端扩展结构应用在氧化镓SBD，并提高了器件的耐压能力。在通过一系列优化后，器件实现了2.9 mΩ·cm2的低导通电阻和2.1kV的高击穿电压，其功率品质因数高达1.52 GW/cm2。
 
光电应用中，响应度和响应速度是光电探测器的两个关键的性能参数，然而这两个指标之间存在着制约关系，此消彼长。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技术，该问题在以氧化镓材料为代表的超宽禁带半导体探测器中尤为突出，这次公布的论文就是为了缓解这个问题。
 
龙世兵教授团队通过引入额外的辅助光源实现对向光栅（OPG）调控方案，提出了一种光电探测器芯片内千万像素共享一颗辅助LED即可缓解响应度与响应速度之间的制约关系的策略，对光电探测芯片综合性能的提升有重要的参考意义。
 
不过另一方面，氧化镓的量产难点主要是大尺寸高质量的β相氧化镓衬底难以制造，衬底缺陷难以控制，目前适用于半导体器件的氧化镓晶圆距离量产还十分遥远。
 
今年12月，国内的铭镓半导体宣布使用导模法成功制备了高质量的4英寸β相氧化镓单晶，完成了4英寸氧化镓晶圆衬底技术突破，并成功进行多次重复实验，成为国内首家掌握4英寸β相氧化镓单晶衬底生长技术的公司。
 
海外方面，今年8月，日企Novel Crystal表示预计将在2025年开始量产4英寸氧化镓晶圆，到2028年开始量产8英寸氧化镓晶圆，并且最终成本可以降至碳化硅的三分之一。
 
目前国内第三代以及第四代半导体产业上，产学研结合模式走得较为顺畅，可以期待未来几年里，包括氧化镓、金刚石在内的第四代半导体材料在国内迎来更多的突破。